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Einrichtung zum Eonstanthalten des hydraulischen Widerstandes in
einem Flüssigkeitsnetz Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Konstanthalten
des hydraulischen Widerstandes in einem Flüssigkeitsnetz.
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In einem eine Förderpumpe üblicher Bauart, z. B. eine Ereiselpumpe,
enthaltenden 1"lüssigkeitsnetz ist der hydraulische AJiaerstand davon abhängig,
wie viele Verbraucher eingeschaltet sind.
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Die Verhältnisse lassen sich bekanntlich durch die Kennlinien gemäss
Big. 1 darstellen. In Big. 1 ist auf der Abszisse die pro Zeiteinheit gebrauchte
Flüssigkeitsmenge Q und auf der Ordinate die Börderhöhe II bzw. der Druck in mm
Wassersäule aufgetragen.
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Es ist einerseits die Kennlinie einer Kreiselpumpe P, und es sind
andererseits vier verschiedene Widerstandskennlinien des Netzes Ni bis N4 dargestellt.
Mit den Bezugszeichen Al bis A4 sind die Arbeitspunkte der Pumpe bezeichnet. Stellt
sich z. B.
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beim Zuschalten weiterer Verbraucher anstelle des Arbeitspunktes A1
der Arbeitspunkt A4 ein, so sinkt infolge der kennlinie P der
Kreiselpumpe
die Förderhöhe H vom Wert H2 auf den Wert El ab, und dieses hat zur Folge, dass
die zu den vorher bereits angeschalteten Verbrauchern geförderten Stundenmengen
geringer werden. In vielen Fällen ist dieses unerwünscht oder sogar unzulässig.
Es seien im folgenden zwei Beispiele genannt.
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Ist eine Warmwasserzentralheizung mit einer gewöhnlichen ICreiselpumpe
versehen, dann hat jede An- oder Abschaltung von einzelnen Heizkörpern eine Veränderung
des Drucks in der gesamten Anlage und damit eine Änderung der geförderten Stundenmenge
des warzen Wassers zur Folge. Werden beispielsweise mehrere Heizkörper der Anlage
abgeschaltet, dann vergrössert sich im übrigen Teil der Anlage infolge des höheren
Widerstands und damit höheren Drucks der Wasserumlauf, und die noch angeschalteten
Heizkörper geben mehr Wärme ab. Bei Abschaltung mehrerer Heizkörper insbesondere
während der Ubergangszeiten im Frühling und im Herbst können auch störende Geräusche
auftreten.
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Als ein weiteres Beispiel wird ein Labornetz für verschiedene Messungen
wie die Messung hydraulischer Widerstände verschiedener Geräte, Messungen zur Untersuchung
von Strömung etc. angeführt. Auch in diesem Fall ist es wichtig, dass die Betätigung
einzelner Ventile rückwirkungsfrei auf den Druck der Anlage ist, d. h. dass hierdurch
nicht die Durchflussmenge anderer Entnahmestellen beeinflusst wird.
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Es ist bekannt, zur Vermeidung der unerwünschten Folgen der
Widerstandsänderungen
Druckregler vorzusehen. Die Druckregler sind jedoch sehr kompliziert, wenn der Druck
durch sie genau eingeregelt werden soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln den
hydraulischen Widerstand in einen Flüssigkeitsnetz von Änderungen der Flüssigkeitsmenge
unabhängig konstant zu halten.
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Dieses ist erfindungsgemäss dadurch möglich, dass wenigstens an einer
Stelle des Flüssigkeitsnetzes zwischen Vor- und Rücklaufleitung ein Widerstandsstabilisator
gefügt ist, der in einem GeB häuse einen seSçrecht stehenden Zylinder und Öffnungen
in der Zylinderwand enthält, ferner einen von der Flüssigkeit umgebenen verschiebbaren
Kolben, welcher in dem Zylinder durch sein Eigengewicht nach unten gezogen wird,
und der Zylinderraum unterhalb des Kolbens mit der Vorlaufleitung und der Raum oberhalb
des Kolbens mit der Rücklaufleitung verbunden ist.
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Bei dieser Lösung ist innerhalb des vorgesehenen Bereichs eine exakte
Sonstanthaltung des hydraulischen Widerstandes gewahrleistet. Der Widerstandsstabilisator
kann an mehreren Stellen des Flüssigkeitsnetzes vorgesehen werden.
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Das Gewicht des Kolbens des Widerstandsstabilisätors hängt vom gewünschten
Widerstand des Netzteils bzw. vom gewünschten Flüssigkeitsdruck ab. Es inuss stets
so gewählt werden, dass bei dem gewünschten Widerstand des Netzteils bzw. dem diesem
Widerstand
entsprechenden Flüssigkeitsdruck ein Gleichgewicht zwischen der durch die Flüssigkeit
pro Flächeneinheit nach oben wirkenden Kraft und der durch das Gewicht des Kolbens
pro Flächeneinheit nach unten wirkenden Kraft abzüglich des Auftriebs des Kolbens
in der Flüssigkeit herstellbar ist. Bei hohem Druck oder bei einer Flüssigkeit mit
grossem spezifischem Gewicht kann die für den Kolben zur Herstellung des Gleichgewichts
erforderliche Länge so gross werden, dass der Wiaerstandsstabilisator nicht mehr
kompakt gebaut werden kann. In diesem Fall werden gemäss einer Weiterbildung der
Erfindung in das Stabilisatorgehäuse mehrere Zylinder mit Kolben eingefügt, die
im Strömungsweg des Stabilisators hintereinander so angeordnet sind, dass jeweils
der Zylinderraum unterhalb des Kolbens eines folgenden Zylinders mit dem Austritt
des vorhergehenden Zylinders verbunden ist. Die Höhe eines Kolbens lässt sich bei
n Stufen auf ein n-tel verringern.
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Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand von 6 Figuren
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die Kennlinien eines Flüssigkeitsnetzes ohne Widerstandsstabilisator,
Fig. 2 die Kennlinie eines Flüssigkeitsnetzes mit einem Widerstandsstabilisator
gemäss dieser Erfindung, Fig. 3 einen erfindungsgemässen Widerstandsstabilisator
mit einem Zylinder, Fig. 4 einen erfindungsgemässen Widerstandsstabilisator mit
zc
hintereinander angeordneten Zylindern., Fig. 5 die Anordnung
von Widerstandsstabilisatoren in einem geschlossenen Flüssigkeitsnetz, Fig. 6 die
Anordnung eines Widerstandsstabilisators in einem offenen Flüssigkeitsnetz.
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Wie bereits einleitend erwähnt, sind in Fig 1 die Kennlinie P einer
Kreiselpumpe und die Kennlinien N1 bis N4 eines Flüssigkeitsnetzes ohne Widerstandsstabilisato:'
d'gestellt. Die Schnittpunkte der Kennlinien ergeben die Arbeitspunkte AN bis A4
der Pumpe. Der minimalen Stundenmenge Q1 entspricht der maximale Netzwiderstand
bzw. die maximale Förderhöhe 112 und der maximalen Stundenmenge Q4 der minimale
Netzwiderstand bzw. die minimale Förderhöhe Hl.
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In Fig. 2 ist die Kennlinie desselben Flüssigkeitsnetzes mit eingebautem
Widerstandsstabilisator dargestellt. Bei einer Veränderung der Stundenmenge im Bereich
zwischen den Werten Qi und Q4 bleibt der hydraulische Widersitand und damit auch
der Druck streng konstant. Dieses wird dadurch bewirkt, dass man durch den Widerstandsstabilisator
zwischen den Vor und Rückl aufl eitungen des Flüssigkeitsnetzes stets an Differenzbetrag
zwischen der maximalen Stundenmenge Q4 und der tatsächlichen vom Flüssigkeitsnetzteil
aufgenommenen Stundenmenge fliessen lässt. Die Kreiselpumpe fördert in diesem Fall
stets die maximale Stundenmenge Q4. Es kann also im Netzteil die Stundenmenge zwischen
Q1 und Q4 bei stets konstantem Netzwiderstand bzw. Druck H1 variieren.
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Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemässen Widerstandsstabilisator mit
einem Zylinder. Das Gehäuse n besitzt einen Einlass 2 und einen Auslass 3. In das
Stabilisatorgehäuse ist ein im Betriebszustand des Stabilisators etwa senkrecht
stehender Zylinder mit Öffnungen 5 in der Zylinderwandung gefügt. Der Zylinder enthält
einen von der Flüssigkeit umgeberem frei verschiebbaren Kolben 6, welcher in dem
Zylinder durch sein Eigengewicht abzüglich des Auftriebs in der Flüssigkeit nach
unten gezogen wird. Der Zylinderraum unterhalb des Kolbens ist an der Einlass 2
des Stabilisators angeschlossen, der mit der Vorlaufleitung des Flüssigkeitsnetzes
in Verbindung steht. Am oberen Teil des Kolbens 6 ist ein Absatz 7 vorgesehen. Durch
ein Entlüftungsventil 8 lässt sich der Widerstandsstabilisator beim Auffüllen des
Flüssigkeitsnetzes entlüften.
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Der Kolben ruht bei Entnahme der maximalen Stundenmenge Q4 mit seinem
Absatz 7 auf dem Zylinder 6. Diese Stellung I ist gestrichelt eingezeichnet. Hierbei
werden die Öffnungen 5 vollständig von dem Kolben verschlossen. Bei einer Bewegung
des Kolbens nach oben werden die Öffnungen mehr oder weniger ereigegeben. In der
Zeichnung ist der Kolben in einer Stellung II dargestellt, die dann eingenommen
wird, wenn von den Verbrauchern weniger als die maximale Stundenmenge Q4 entnommen
wird.
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Zwischen Kolben und Zylinder ist je nach Grösse des Widerstandsstabilisators
ein
Spielraum von etwa 0,5 bis 1,0 mm vorgesehen.
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Der Kolben kann aus metallischen oder nichtmetallischen schweren ISaterialien
ausgeführt sein. Die Bemessung des Kolbens berechnet sich so, dass sein Gewicht
in der Flüssigkeit auf die untere Fläcne des Kolbens bezogen dem hydraulischen Widerstand
bei maximaler Stundenmenge entspricht. Das Gewicht kann auch auf einen Nennwiderstand
eingestellt werden, der der Nennstundenmenge entspricht. In diesem Fall würde bei
Uberschreiten der Nennstundenmenge die Kennlinie entsprechend der Kennlinie P der
Fig. 1 abfallen.
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Für den Fall der Einstellung auf maximale Stundenleistung gilt:
wobei GK - das Gewicht des Kolbens in Luft, gewogen in kg GF " das Gewicht der durch
den Kolben verdrängten zlüssigkeitsmenge in kg FK n die untere Stirnfläche des Kolbens
in cm2 H1 - der hydraulische Widerstand bzw. die Förderhöhe der Pumpe bei maximaler
Stundenleistung Q4 in mm Wassersäule gK " die durch den Kolben pro cm2 ausgeübte
Kraft nach unten.
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Wenn durch das Flüssigkeitsnetz wahrend des Betriebs die maximale
Stundenmenge
Q4 entnommen wird, dann bleibt der Kolben 6 in der Stellung I, da das auf die Flächeneinheit
des Kolbens bezogene tatsächliche Gewicht in der Flüssigkeit, d. h. die Grösse gK
gleich dem hydraulischen Widerstand des Netzes bzw. der Druckdifferenz zwischen
Vor- und Rücklaufleitung des Netzes ist. In diesem Fall strömt durch den Widerstandsstabilisator
nur eine durch Undichtigkeit zwischen Kolben und Zylinder bedingte geringfugige
Flüssigkeitsmenge. Die maximale Stundenmenge Q4 strömt durch das Netz.
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Nimmt der hydraulische Widerstand des Flüssigkeitsnetzes zu, d. h.
wird weniger als die maximale Stundenmenge entnommen, so würde gemäss der Kennlinie
P der Fig. 1 der Netzwiderstand bzw.
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Flüssigkeitsdruck zunehmen. Eine Zunahme des Flüssigkeitsdrucks bewirkt
aber eine Anhebung des Kolbens 6, dessen Gewicht konstant ist. Hierdurch werden
die Öffnungen 5 teilweise freigegeben, und es fliesst zusätzlich zu der Stundenmenge
durch das Netz Flüssigkeit durch den Widerstandsstabilisator zwischen dem Einlass
2 und dem Auslass 3, d. h. im Kurzschluss zwischen Vor- und Rücklauf des Netzteils.
Durch den Widerstandsstabilisator wird der hydraulische Widerstand verringert und
damit auch der Druck.
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Die Stundenmenge des Flüssigkeitsstroms im Widerstandsstabilisator
stellt sich auf einen Betrag ein, durch den der Betrag der Stundenmenge durch das
Netzteil auf die maximale Stundenmenge Q4 ergänzt wird. Erst dann ist nämlich wieder
der ursprüngliche der maximalen Stundenmenge entsprechende Widerstand bzw. Druck
hergestellt, der zu der konstanten Grösse gK des Kolbens im
Gleichgewicht
steht. Die Lage des Kolbens und damit der Durchflussquerschnitt der Öffnungen 5
hängt somit vom Betrag der durch das Netzteil strömenden Stundenmenge ab. Wird vom
Netzteil wieder die maximale Stundenmenge Q4 entnommen, so nimmt der Kolben auch
wieder die Stellung I ein.
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Wird mehr als die Stundenmenge Q4 entnommen, so kann der Flüssigkeitsstrom
durch den Widerstandsstabilisator zugunsten des Flüssigkeitsstroms im Netzteil nicht
weiter verringert werden, da die Öffnungen bereits geschlossen sind. Der Regelbereich
ist damit ausgeschöpft. Es gilt von diesem Wert an die Kennlinie wie für ein Flüssigkeitsnetz
ohne Stabilisator.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Widerstandsstabilisators
mit zwei hintereinander angeordneten Zylindern 41 und 42. Analog zu dem ersten Ausfühuungsbeispiel
sind in den Zylinderwandungen Öffnungen 51 und 52 vorgesehen; ausserdem enthalten
die Zylinder frei verschiebbare Kolben 61 und 62. Die Zylinder sind im Strömungsweg
des Widerstandsstabilisators hintereinander angeordnet. Der Zylinderraum unterhalb
des Kolbens 62 im Zylinder 42 ist mit den Austrittsöffnungen 51 des vorhergehenden
Zylinders 41 verbunden. Da die beiden Zylinder bezüglich der Strömung im Widerstandsstabilisator
hintereinander angeordnet sind, entsteht bezüglich des Gleichgewichts zu dem Flüssigkeitsdruck
die gleiche Wirkung wie bei einem einzigen Kolben doppelter Länge. Die Ausführungsform
lässt sich um weitere Stufen erweitern und gestattet es, auch bei hohem
einzustellendem
Flüssigkeitsdruck die Höhe der Kolben und damit die Höhe des Gehäuses niedrig zu
halten.
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Wird der obere Teil des Kolbens 6 bzw. der Kolben 61 und 62 in Form
von aufsetzbaren Scheiben ausgebildet, so lässt sich durch Abheben oder Zugeben
von Scheiben das Gewicht des Kolbens und damit die Widerstandsbegrenzung bzw. Druckbegrenzung
des Flüssigkeitsnetzes einstellen.
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in Fig. 5 ist schematisch ein Beispiel der Anordnung von Widerstandsstabilisatoren
in einem geschlossenen Flüssigkeitsnetz dargestellt. Ein Widerstandsstabilisator
11 ist in einem Netzteil, das zwei Verbraucher 12 enthält, und ein Widerstandsstabilisator
13 in einem Netzteil, das zwei Verbraucher 14 enthält, zwischen der Vor- und Rücklaufleitung
angeordnet. Die Flüssigkeit wird durch eine Pumpe 17 in die Vorlaufleitung 15 gefördert
und strömt durch die Rücklaufleitung 16 zurück.
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Fig. 6 stellt schematisch ein Beispiel der Anordnung eines Widerstandsstabilisators
in einem offenen Flüssigkeitsnetz dar.
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Der Widerstandsstabilisator 11 ist zwischen die Druck- und Ansaugseite
der Pumpe 17 eingebaut. Wird durch die Verbraucher 12 und 14 die vorgesehene Nennstundenmenge
bzw. maximale Stundenmenge verbraucht, dann sperrt der Stabilisator 11 den Rückfluss,
und es strömt durch die Rücklaufleitung 16 nur ein geringfügiger durch die Undichtigkeit
des Stabilisators bedingter Flüssigkeitsstrom. Bei Abnahme einer kleineren Stundenmenge
durch die
Verbraucher öffnet der Widerstandsstabilisator, und es
strömt durch die Rücklaufleitung 16 der Differenzbetrag zur maximalen Stundenmenge.